侯曉幫， 操家順

（1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210008；2.河海大學(xué)， 江蘇 南京 210098）

0 引言

厭氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation，簡(jiǎn)稱ANAMMOX）過程是自養(yǎng)型ANAMMOX菌在無外加有機(jī)碳源的條件下，同時(shí)去除氨和亞硝酸鹽，突破了傳統(tǒng)生物脫氮工藝中的基本概念[1-2]，得到越來越多研究者的關(guān)注。但ANAMMOX菌生長(zhǎng)速度極慢（倍增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11 d）[3]，產(chǎn)率系數(shù)較低，ANAMMOX菌培養(yǎng)和富集困難。

人類已發(fā)現(xiàn)的古細(xì)菌在極端生境條件下生存能力都很強(qiáng)，ANAMMOX菌即屬于最古老的古生物菌（Archaea）或分支很深的細(xì)菌棲熱孢菌屬（Thermotoga）和產(chǎn)液菌屬（Aquifex）[2]。雖然發(fā)現(xiàn)ANAMMOX在自然界的封閉海體（水體）、土壤以及水底淤泥中廣泛存在[4-6]，然而在試驗(yàn)室條件下ANAMMOX菌培養(yǎng)富集仍很困難，這與ANAMMOX菌在自然界中有如此強(qiáng)的生存能力的實(shí)際不符；因此，有理由相信ANAMMOX菌的生存信息尚未被完全揭示。

ANAMMOX菌在自然界廣泛存在的封閉海體（水體）、土壤以及水底淤泥有共同的特征是負(fù)荷較低，本文在ANAMMOX菌培養(yǎng)過程中進(jìn)行了階段性負(fù)荷轉(zhuǎn)變，研究不同負(fù)荷對(duì)ANAMMOX菌培養(yǎng)過程中的作用。探求ANAMMOX菌的有效培養(yǎng)方法。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)裝置

EGSB(Extended granular sludge bed)反應(yīng)器總?cè)莘e7.8 L，有效容積6.5 L。反應(yīng)器外包裹黑布避光，通過溫控系統(tǒng)控制反應(yīng)器溫度，試驗(yàn)時(shí)通過緩沖氣囊不定時(shí)充入CO2或Ar來維持反應(yīng)器內(nèi)絕對(duì)的厭氧環(huán)境。通過內(nèi)循環(huán)泵進(jìn)行升流式內(nèi)循環(huán)達(dá)到良好的泥水混合。試驗(yàn)工藝流程見圖1。

圖1 EGSB反應(yīng)器裝置示意

1.1.2 接種污泥

取某啤酒廠厭氧顆粒污泥及城市污水處理廠好氧硝化污泥各1.75 L接種于反應(yīng)器中進(jìn)行ANAMMOX培養(yǎng)。

1.1.3 進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)采用人工合成廢水，廢水水質(zhì)見表1。1 L合成廢水中加入微量元素溶液Ⅰ和微量元素溶液Ⅱ各1 mL。微量元素溶液Ⅰ主要組分：FeSO4·7H2O，5 g/L；EDTA，5g/L； 微量元素溶液Ⅱ主要組分：CuSO4·5H2O，4 g/L；ZnSO4·7H2O，0.43 g/L；CoCl2·6H2O，0.24 g/L；MnCl2·4H2O，0.99 g/L；（NH4）6Mo7O24·4H2O，0.16 g/L；NiCl2·6H2O，0.19 g/L；H3BO4，0.014 g/L；EDTA，15 g/L。

表1 人工合成廢水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)條件

反應(yīng)器的運(yùn)行條件為：反應(yīng)器采用間歇進(jìn)水、間歇出水的方式運(yùn)行。人工合成廢水采用純氬氣曝氣30 min以消除溶解氧，通過蠕動(dòng)泵進(jìn)水和排水。反應(yīng)器的回流流量為15.7 L/h（水流上升流速為2 m/h），溫度控制在32℃，pH值控制在8.30左右。

運(yùn)行周期見圖2，其中第1階段反應(yīng)時(shí)間10 h 50 min，第2階段反應(yīng)時(shí)間70 h 50 min，第3階段反應(yīng)時(shí)間22 h 50 min。

圖2 運(yùn)行周期示意

1.3 試驗(yàn)方法

污泥培養(yǎng)的總時(shí)間為265d，進(jìn)水的NH4+-N的平均質(zhì)量濃度控制在48 mg/L左右，進(jìn)水的NO2--N的平均質(zhì)量濃度控制在62 mg/L左右。按照對(duì)反應(yīng)器負(fù)荷及運(yùn)行周期的調(diào)節(jié)，分為3個(gè)階段，各個(gè)階段運(yùn)行條件見表2。

表2 各階段運(yùn)行條件

1.4 試驗(yàn)分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

NO2-N，NH4+-N，NO3--N的監(jiān)測(cè)均采用標(biāo)準(zhǔn)方法 (APHA,1998)；pH值的監(jiān)測(cè)由HACH便攜式pH測(cè)量?jī)x完成。

2 培養(yǎng)過程與討論

2.1 ANAMMOX污泥的培養(yǎng)過程及變化特征

2.1.1 培養(yǎng)過程

培養(yǎng)過程見表3和圖3。

表3 培養(yǎng)中各階段主要特征

圖3 ANAMMOX污泥培養(yǎng)過程

由圖3可知，在第 1階段，ANAMMOX在負(fù)荷（以 N計(jì)，下同）為 40 mg/(L·d)的條件下經(jīng) 200 d培養(yǎng)，活性沒有顯著增加；經(jīng)過第2階段在負(fù)荷為18 mg/(L·d)的條件下55d的培養(yǎng)，ANAMMOX菌活性已經(jīng)非常明顯。

第3階段提高運(yùn)行負(fù)荷到為55 mg/(L·d)，在此負(fù)荷下ANAMMOX活性進(jìn)一步提高。

在第3階段末期進(jìn)一步提高負(fù)荷到110mg/(L·d)，NO2--N的去除率下降到76%，NH4+-N去除率下降到28%，出現(xiàn)ANAMMOX菌活性受到抑制的現(xiàn)象，停止進(jìn)一步提高負(fù)荷，轉(zhuǎn)為與第2階段同等負(fù)荷的為18mg/(L·d)條件進(jìn)行復(fù)活試驗(yàn)，經(jīng)過18 d的培養(yǎng)，NO2--N的去除率上升為100%，NH4+-N去除率提高到89%，復(fù)活成功。

2.1.2 污泥變化特征

由于ANAMMOX菌含有豐富的細(xì)胞色素C，成熟的ANAMMOX污泥呈淺紅色[5]，在本試驗(yàn)的第2階段已經(jīng)出現(xiàn)了紅褐色污泥，在穩(wěn)定運(yùn)行期取ANAMMOX污泥進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)ANAMMOX菌泥水混合物的顏色呈土紅色，經(jīng)過600℃高溫灼燒后ANAMMOX菌污泥顏色為紅褐色。與接種的厭氧顆粒污泥黑色相比，具有明顯差異。污泥顏色的變化較好地印證了啟動(dòng)過程中ANAMMOX菌的發(fā)展歷程。

2.1.3 化學(xué)計(jì)量學(xué)變化特征

ANAMMOX反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系[6]：

NH4+-N和NO2--N以一定比例被同時(shí)轉(zhuǎn)化是ANAMMOX的本質(zhì)特征，NO3--N的產(chǎn)量在某種程度上也反映了ANAMMOX菌的增殖情況。因此，在ANAMMOX反應(yīng)器啟動(dòng)過程中，NH4+-N，NO2--N去除量與NO3--N生成量的比值變化可作為ANAMMOX反應(yīng)狀況的重要判據(jù)。第1階段、第2階段及第3階段的比例變化趨勢(shì)見圖4。

圖4 第1階段、第2階段及第3階段比例變化曲線

由圖4可以看出，在第 1階段，ρ(NH4+-N)∶ρ(NO2--N)平均為 1 ∶5.10，且沒有檢測(cè)到NO3--N的產(chǎn)生；在第 2 階段中，ρ（NO2--N）消耗∶ρ（NH4+-N）消耗的均值為1.51，在本階段末檢測(cè)到了NO3--N的生成，ρ（NH4+-N）去除∶ρ（NO2--N）去除∶ρ（NO3--N）生成為1∶1.51∶0.07；在第 3階段中，ρ（NH4+-N）去除∶ρ（NO2--N）去除∶ρ（NO3--N）生成為 1∶1.28∶0.16，與理論值 1∶1.32∶0.26 非常接近。

2.2 分析與討論

2.2.1 培養(yǎng)過程分析

在第1階段，ANAMMOX對(duì)NO2--N去除效果良好，而對(duì)NH4+-N去除能力較弱的可能原因：①NO2--N通過反硝化作用去除；②發(fā)酵性細(xì)菌進(jìn)行了異化性硝酸鹽還原作用（dissimilatorynitratereduction），該類細(xì)菌利用硝酸鹽作為電子受體將硝酸鹽還原成氨，在自然界，該作用常發(fā)生于電子受體貧乏的缺氧環(huán)境中[7]；③ANAMMOX菌將NO3--N異化還原成NH4+-N[8]。此階段經(jīng)歷時(shí)間較長(zhǎng)，但ANAMMOX菌的活性并沒有得到明顯提高，說明高負(fù)荷（短周期）條件下并不利于ANAMMOX菌的富集。

在第2階段較長(zhǎng)周期條件下，相比于第1階段的200 d，該階段僅用55d使ANAMMOX即成長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)菌種。成因分析如下，文獻(xiàn)報(bào)道[9-10]，ANAMMOX菌在缺氧水體、沉積物、海冰等各種各樣的海洋水體中是廣泛存在的，據(jù)估計(jì)，全球海洋氮循環(huán)（50%以上）的主要方式是ANAMMOX[11]；ANAMMOX菌在自然界的封閉海體（水體）、土壤以及水底淤泥中廣泛存在[12]，這種環(huán)境流動(dòng)性差，生存環(huán)境穩(wěn)定、停留時(shí)間較長(zhǎng)且負(fù)荷較低，這是ANAMMOX菌在自然生境中的重要生存特征之一，本試驗(yàn)的結(jié)果證明在較低負(fù)荷N為18 mg/(L·d)條件下ANAMMOXA菌迅速獲得了優(yōu)勢(shì)地位，與ANAMMOX菌的自然的生存環(huán)境相互印證，較低負(fù)荷對(duì)ANAMMOX菌的生長(zhǎng)是有益的。

2.2.2 周期試驗(yàn)與動(dòng)力學(xué)分析

在第3階段，對(duì)ANAMMOX過程進(jìn)行周期分析，見圖5。

圖5 厭氧NH4+-N化典型周期變化曲線

由圖5可知，在第3階段的一個(gè)典型周期中，NO2--N和NH4+-N成比例地同步去除，同時(shí)有NO3--N生成，pH值基本穩(wěn)定在8.0左右。在整個(gè)周期中基質(zhì)降解趨勢(shì)明顯，周期末底物降解完成充分，周期試驗(yàn)表明，在運(yùn)行周期為24 h，HRT為2.0 d時(shí)處理負(fù)荷為55 mg/(L·d)是適宜的，ANAMMOX系統(tǒng)能夠?qū)Φ孜镞M(jìn)行充分的降解。

ANAMMOX的生物降解遵循一級(jí)反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)可借由Monod方程表示[13]：

式中：V為基質(zhì)比去除速度，；Vmax為基質(zhì)最大比去除速度，h-1；X為微生物平均質(zhì)量濃度，mg/L；S0為進(jìn)水基質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；Se為t時(shí)間后的基質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；t為水力停留時(shí)間，h；Ks為飽和常數(shù)，其值為時(shí)的基質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L。

對(duì)式（1）取倒數(shù)，得：

跟據(jù)周期試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算Xt/（So-Se）與1/Se的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 Xt/（So-Se）與 1/Se 關(guān)系

線性相關(guān)系數(shù)R2=0.804,線性關(guān)系顯著。說明數(shù)學(xué)模型估算值與觀測(cè)值之間相關(guān)關(guān)系高度顯著，模型具有參考價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）與 40 mg/(L·d)的運(yùn)行負(fù)荷相比，在 18 mg/(L·d)的較低負(fù)荷條件有利于ANAMMOX菌的培養(yǎng)成功。

（2）培養(yǎng)成功的ANAMMOX系統(tǒng)中，當(dāng)HRT為2.0 d，運(yùn)行周期為 24 h 時(shí)，處理負(fù)荷 N 為 55 mg/(L·d)條件下ANAMMOX反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的去除率為91.9%，對(duì) NO2--N 的去除率為 98.7%。

（3）根據(jù)Monod方程，ANAMMOX反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型為：

4 展望

因條件限制，暫無平行試驗(yàn)，本文在低負(fù)荷下觀察到的ANAMMOX活性有可能是在前200 d長(zhǎng)期富集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。

為進(jìn)一步明確各因子對(duì)ANAMMOX富集的影響，后期應(yīng)做如下平行試驗(yàn)：①在高負(fù)荷為40 mg/(L·d)下運(yùn)行，采用CO2作為緩沖氣體；②在低負(fù)荷為18 mg/(L·d)下運(yùn)行，采用CO2作為緩沖氣體；③在高負(fù)荷為40 mg/L·d）下運(yùn)行，采用Ar氣作為緩沖氣體；④在低負(fù)荷為18 mg/(L·d)下運(yùn)行，采用Ar氣作為緩沖氣體。